[发明专利]一种加载条件下不锈钢亚稳态点蚀模拟的方法

说明书

技术领域

本发明属于不锈钢腐蚀技术领域，具体涉及一种加载条件下不锈钢亚稳态点蚀模拟的方法。

背景技术

不锈钢使用广泛，而点蚀是其主要的腐蚀破坏形式，特别是在加载条件下，载荷会促进点蚀生长，而且点蚀还是应力腐蚀和腐蚀疲劳裂纹的主要萌生源，对承力结构寿命有着至关重要的影响。点蚀一般萌生于不锈钢表面的夹杂处，然后进入到亚稳态生长，亚稳态生长对于点蚀的生长非常重要，在一定条件下亚稳态点蚀能进入稳态生长直至不锈钢破坏，或者亚稳态点蚀发生再钝化不再生长。目前点蚀的模拟方法中元胞自动机方法相对于蒙特卡洛等方法，由于易于再现物理系统的本质特征而较具优势。针对于不锈钢亚稳态点蚀模拟方法，经检索仅发现文献报道使用元胞自动机方法在不受力情况下的模拟(文献1：L.Li，X.G.Li,C.F.Dong,K.Xiao,L.Lu,Electrochemistry Communications 11(2009)1826；文献2：L.Li,X.G.Li,C.F.Dong,Y.Z.Huang,Electrochimica Acta 54(2009)6389)，而在加载条件下不锈钢亚稳态点蚀模拟方法没有发现相关的专利和文献报道。

发明内容

本发明的目的是使用元胞自动机耦合有限元方法模拟在加载条件下不锈钢亚稳态点蚀生长。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种加载条件下不锈钢亚稳态点蚀模拟的方法，该方法通过元胞自动机实现点蚀过程中蚀坑内部的不锈钢阳极溶解、钝化、氢离子扩散和盐膜水解的模拟，氢离子扩散采用萧邦区段方法提高扩散模拟的效率，在蚀坑生长过程中使用有限元实时分析蚀坑表面的应力和应变分布，再通过古特曼模型计算蚀坑表面各个微区的力学因素对腐蚀作用，以此作为元胞自动机的边界条件进行点蚀模拟。

该方法具体包括如下步骤：

（1）建立一个二维元胞空间。元胞空间采用诺埃曼邻域，即每个元胞只考虑上、下、左、右四个最近邻元胞对它的作用。设定7种元胞：中性溶液元胞、酸性溶液元胞、金属元胞、活性金属元胞、钝化元胞、盐膜元胞、表面钝化膜元胞。中性溶液元胞是指当前元胞位置由水占据；酸性溶液元胞是指当前元胞位置由水合氢离子占据；金属元胞是指当前元胞位置由金属占据，并且金属不和中性溶液元胞或酸性溶液元胞接触；活性金属元胞是指当前元胞位置由金属占据，并且金属至少和一个中性溶液元胞或酸性溶液元胞接触；钝化元胞是指当前元胞位置由钝化的金属占据；盐膜元胞是指当前元胞位置由盐膜占据，盐膜元胞主要成分是FeCl₂；表面钝化膜元胞是指当前元胞位置由不锈钢表面的钝化膜占据。如果某一活性金属元胞或钝化元胞所有的溶液元胞邻居都是中性溶液元胞，称此元胞处于中性环境，如果某一活性金属元胞或钝化元胞的溶液元胞邻居中至少有一个酸性溶液元胞，称此元胞处于酸性环境。因此活性金属元胞和钝化元胞就构成了蚀坑的表面。除了盐膜元胞外，所有的元胞都是排他性的，即当前位置只能有一种元胞类型，而盐膜元胞必须与中性溶液元胞或酸性溶液元胞共存；

（2）设置元胞空间初始状态。在元胞空间中间位置的水平方向上放置一层表面钝化膜元胞，在这层表面钝化膜元胞下方全部放置金属元胞，在这层表面钝化膜元胞上方全部放置中性溶液元胞。在这层表面钝化膜元胞的中间制作一个破损，用酸性溶液元胞替换表面钝化膜元胞的位置，用以模拟点蚀的萌生。假定蚀坑内发生阳极反应，表面钝化膜发生阴极反应，并且不锈钢点蚀体系溶液中存在氯离子和充分的溶解氧；

（3）使用有限元计算蚀坑表面的应力应变分布。

3.1得到蚀坑表面所有元胞(即活性金属元胞和钝化元胞)坐标，制作蚀坑边界线，与平板边界线连接形成完整的平面图；所述蚀坑边界线是指构成蚀坑表面的曲线，平板边界线是由表面钝化膜元胞以下空间的左侧、右侧和底边边界直线以及蚀坑边界线左、右端点分别到左、右侧边界直线的垂直连线构成；

3.2创建与平面图相应的部件；

3.3创建材料，分配不锈钢弹性和塑性属性；创建截面属性，给部件赋予截面属性；

3.4定义装配件，分配部件实例；

3.5设置分析步，有三个分析步，分别为初始分析步，输出原始坐标分析步，施加载荷分析步；所述初始分析步是指有限元计算开始时的分析步，输出原始坐标分析步是指输出平板所有点原始坐标时的分析步，施加载荷分析步是指在平板边界线施加拉伸载荷时的分析步；

3.6定义载荷和边界条件，在平板右侧边界线施加拉伸载荷，在平板左侧边界线和底边边界线施加约束；